3 Технология работы с аэрофотоснимками
3.1 Общие принципы и задачи геологического дешифрирования
Использование материалов аэрофотосъемки для целей геологического дешифрирования базируется на наличии тесных взаимосвязей между различными геологическими объектами и структурами к процессам в природе и проявлениями их на поверхности. При этом геологические объекты как-то проявляются в ландшафтах поверхности. Бесстрастный объектив аэрофотоаппарата фиксирует всю эту обстановку на снимках.
В задачу геологического дешифрирования входят почти тоже, что и для геологического картирования:
1) выявление и прослеживание границ распространения горных пород, горизонтов и свит, состоящих из пород различного состава;
2) выявление, прослеживание и анализ стратиграфических и тектонических взаимоотношений массивов и комплексов горных пород между собой (последовательность залегания горных пород, элементы залегания, мощности, типы несогласия, тектонические нарушения, типы структур);
3) определение и анализ физико-геологических процессов, протекающих на поверхности (экзогенные геологические процессы, выветривание горных пород, их накопление, неотектоника, техногенная деятельность человеческого общества – техногенез);
4) изучение и анализ геоморфологических особенностей территории;
5) установление и изучение поисковых признаков, способствующих выявлению различных полезных ископаемых, а также при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях.
3.2 Преимущества применения аэрофотоснимков в геологии
Аэрофотогеологический метод обеспечивает:
1) точное и объективное отображение морфологии и главнейших особенностей геологического строения земной поверхности, находящихся во взаимосвязи друг с другом;
2) большинство необходимых геологу деталей, обычно отсутствующих на топографических картах;
3) точное опознавание точек наблюдения и надежную их привязку;
4) достаточно обоснованное геологическое картирование не только по линии маршрутов, но и в пределах площадей, расположенных между маршрутами;
5) возможность одновременно наблюдать различные объекты, а также их контуры и взаимоотношения – при наземных исследованиях геолог наблюдает эти объекты разобщено и производит их увязку субъективно;
6) выявление геологических особенностей, а также поисковых признаков, какие невозможно обнаружить даже при детальных наземных маршрутах.
Перечисленные выше особенности аэроснимков позволяют резко повысить точность и объективность геологических карт и повысить производительность труда геолога.
3.3 Стереоскопические наблюдения
При одновременном рассмотрении окружающей нас обстановки двумя глазами мы видим её пространственно-объемно. Такое бинокулярное зрение, обладающие свойством восприятия глубины, в отличие от монокулярного (т. е. зрения одним глазом), называется стереоскопическим.
Для получения стереоскопического изображения двух смежных перекрывающих друг друга снимков (стереопары) существуют оптические приборы – стереоскопы. При большой тренировке можно добиться стереоэффекта и невооруженными глазами. Оптический способ получения стереомодели основан на разделении лучей левого глаза и правого, направленных на соответствующие снимки стереопары с помощью оптических приборов. Есть ряд приборов, но наиболее употребительны линзово-зеркальный стереоскоп АЗС-1 или АЗС-2, стереоскоп-пантограф-2 (CЛ-2) для стереоскопического просмотра снимка и фотосхемы или карты.
При просмотре стереопары объёмное изображение увеличено в 1.2-1.3 раза. Вертикальный масштаб при этом несколько превышает горизонтальный, поэтому рельеф проявляется резче.
Стереомодель позволяет более точно изучать и выделять геологические объекты и способствует более точному переносу отдешифрированных геологических объектов на топокарту.
3.4 Определение элементов залегания и мощности горных пород на аэроснимках
Определение элементов залегания горных пород, выполняемое в процессе геологического дешифрирования, значительно отличается от обычных полевых измерений с помощью компаса. В поле измеряется маленькая площадка. Для достоверного результата необходим массовый набор точек измерений. При замерах на снимках охватывается значительная площадь пласта или структуры. Однако, необходимо при геологических работах использовать оба типа замеров, как дополняющие и контролирующие друг друга.
Выходы пласта осадочной породы, жильного тела или линии разрывного нарушения при благоприятных условиях могут быть прослежены на аэроснимках или фотоплане на значительном протяжении в виде непрерывного контура или в виде отдельных разобщенных участков, которые хорошо увязываются при дешифрировании. Путем несложных вычислений устанавливаются азимут простирания, направление и угол падения перечисленных выше объектов. Может быть определена и мощность пластов, выступающих на поверхность. Ориентировочно можно произвести замеры пластов, «просвечивающие» через небольшой покров рыхлых отложений.
Направление выхода пласта на любой поверхности будет совпадать с линией его простирания, если пласт залегает вертикально или если обнажается на горизонтальной поверхности. Во всех остальных случаях в условиях расчлененного рельефа линии выхода пласта не совпадают с его истинными значениями простирания. Он определяется графическим построением. Для этого под стереоскопом в интересующем нас месте снимка на линии выхода пласта на противоположных склонах берегов ложбины стока, оврага или ручья, или по обеим сторонам узких водоразделов, или тальвегах двух параллельных долин. При наличии фотоплана, с нанесенными на нем горизонталями, выбираются две точки, лежащие на пересечении выхода пласта с одноименной горизонталью. Это будет направление простирания.
Определение направления пласта, проектирующегося на склоне, на аэроснимках и на карте устанавливается из соотношения между направлением склона и очертанием выхода пласта, проектирующегося на этом склоне.
При горизонтальном залегании пласта выходы пласта на аэроснимке будут опоясывать склоны на одном гипсометрическом уровне, параллельно линиям горизонталей. Подобное отмечалось в бассейне р. Чаган на юго- западе области.
При вертикальном залегании пласта выходы его на снимках будут иметь линию, согласную с его простиранием и протягивающуюся независимо от форм рельефа, которые пересекает пласт. В таких случаях говорят: «Породы на голову поставлены». Подобные случаи отмечались в залегании метаморфических сланцев почти во всех мегаструктурах складчатого Южного Урала.
При наклонном залегании пласта (этот случай наиболее распространен) выход его на горизонтальную поверхность совпадает с линией его простирания и будет иметь прямолинейное очертание. При расчлененном рельефе очертания выходов пласта на снимках будут изгибаться; причем характер этих изгибов в основном и будет определять направление падения пласта, а именно:
1. Если падение пласта направлено в сторону наклона склона, но наклон пласта круче наклона склона, то изгибы выходов пласта будут выпуклой стороной обращены в сторону, обратную склону. При пересечении таким пластом склонов ручьев и ложбин стока и водоразделов между ними пласт будет изгибаться вверх по водоразделу, а в ручье будет образовывать угол, обращенный вершиной вниз по течению.
2. Если падение пласта направлено вглубь склона, то вся картина будет представлена наоборот.
3. В редких случаях, когда пласт падает в сторону склона, но под более пологим углом, пласт образует дугу, обращенную выпуклостью вниз по склону, а в тальвеге – угол, направленный вверх по ручью. Это можно ошибочно истолковать за падение внутрь склона. Относительно склона такой пласт имеет как бы обратное падение вглубь.
4. В случае, когда пласты падают под тем же углом и в ту же сторону, что и склон. На аэроснимке эти случаи дешифрируются по ассиметрии склонов долин, заложенных по линии простирания этих пластов. Выход такого пласта прослеживается в виде гладких каменных скатов – поверхностью пласта, а также прослеживается вдоль гребня водораздела часто в виде скалистой гряды по простиранию пласта.
На сглаженных водоразделах выходы пластов фиксируются в виде плавно изгибающихся дуг. В области развития узких острых водораздельных гребней – выходы имеют форму пластовых треугольников. Чем длиннее пластовые треугольники, расположенные в центральной части снимка, тем меньше угол падения слагающих пластов (пологие).
С увеличением угла падения слоев углы пластовых треугольников увеличиваются и превращаются в тупой. При вертикальном залегании выходы слоев на снимке представляют прямую линию, не связанную с особенностями рельефа и направление этой линии есть направление простирания.
Q4 – аллювиальные отложения (пойма и первая надпойменная терраса);
J1-2cz – чульманская свита (песчаники, алерролиты, аргиллиты).
Рисунок 2 – Горно-таежная зона Восточной Сибири с денудационно-эрозионными формами рельефа. Область развития пологолежащих (угол 1-3°) юрских континентальных отложений. Особенности структуры, подчеркиваемые древесной растительностью, хорошо прослеживаются по линиям перегиба профиля склонов в местах выходов более плотных пород. На площади распространены песчаники, алевролиты, аргиллиты, угли (по М.Я. Попову).
При измерении заведомо наклонных пластов 2 точки, расположенные на одной высоте, лучше всего находятся на снимках (под стереоскопом) на выходах пласта на обоих склонах узкого водораздела (основании пластового треугольника) или на противоположных склонах ручья; третья точка берется в вершине такого естественного треугольника. Линия, соединяющая эти две точки на одном уровне (линия АВ), и будет линией простирания данного пласта или (толщи).
Угол падения и направление падения определяются следующим графическим построением. Для этого из точки С пласта, расположенной ниже в тальвеге ручья (или оврага), опускается перпендикуляр на линию АВ. Он является линией падения пласта. От точки пересечения перпендикуляра и линии АВ (точка Д) откладывается отрезок ДЕ, равный в масштабе снимка разности высот между уровнями С и АВ. При отсутствии приборов, где эти высоты замеряются (стереометр, стереокомпоратор, фотовысотометр Лобанова), можно воспользоваться топокартой того же масштаба, что и аэроснимок, и определить это расстояние между уровнями. Расстояние между горизонталями по высоте на топокарте масштаба 1: 25 000, например, равняется 2,5 м. Полученное значение высот откладываем на линии АБ от точки Д и получаем точку Е. Соединив эту точку линией с точкой С, получим угол α, являющийся углом падения данного пласта. Замеряем его транспортиром и операция закончена. Он равен еще tg(тангенсу) а =tg. Эти операции можнопроизвести и на бумаге, перенеся на нее этот треугольник в большем масштабе. Некоторые другие способы измерения и вычисления замеров основываются на знании фокусного расстояния аэрофотоаппарата. В практике эти способы менее применимы.
Определение мощности пластов по аэрофотоснимку связано с их структурным положением. Точность при этом зависит от выразительности их в рельефе, наличия четких границ пластов и качества снимков. Рассматривая стереопару аэроснимков под стереоскопом, мы видим величину превышения между кровлей и подошвой пласта. Зная угол падения пласта, мы можем вычислить с помощью тригонометрических формул истинную мощность пласта или определить его графическим способом.
При горизонтальном (или почти) залегании пласта выход его на почти вертикальную стенку обрыва практически будет отражать истинную мощность пласта. Истинную мощность вертикального пласта мы наблюдаем при выходе его на дневную горизонтальную поверхность.
При наклонном залегании пласта при определенной мощности необходимо учитывать как угол падения пластов (предварительно измеренный) и угол поверхности склона в местах выхода пласта на поверхность. Строим в масштабе чертеж. Угол поверхности берем из карты. Замеряем по чертежу мощность. Это графический способ.
3.5 Методы дешифрирования
Различают прямой, контрасно-аналоговый и ландшафтно-индикационный методы.
Прямой метод дешифрирования применяется только в геологически открытых районах, где коренные породы выходят на поверхность. Фототоновые различия, а также особенности структуры и рисунки изображения на снимках этих районов обусловлены геологическими телами, их окраской, вещественным составом, условиями залегания. Поэтому здесь возможно непосредственное отождествление выделенных на снимках объектов с геологическими телами и прямое сопоставление геолого-геофизических материалов с данными дешифрирования.
Прямой метод дешифрирования позволяет устанавливать поля развития горных пород различного состава и генезиса, границы стратиграфических подразделений осадочных и вулканогенных пород, характер их залегания, тектонические нарушения (пликативные и дизъюнктивные). Например, слоистые толщи образуют на снимках полосчатый рисунок, по которому можно судить о форме залегания отложений, переслаивании пород различного состава; по их выраженности в рельефе – об относительной устойчивости к процессам денудации.
По смещению слоев, маркирующих горизонтов, резкой смене фототона и рисунка изображения, вызванных сменой геоморфологического и геологического строения, дешифрируются разрывные нарушения. Особенно высок эффект применения дистанционных материалов в районах со сложным геологическим строением, где горные породы резко различаются по физико-механическим свойствам и устойчивости к выветриванию. Опытным путем установлено, что в открытых районах в результате полевых работ подтверждается до 90-100 % выявленных при дешифрировании объектов.
Контрасно-аналоговый (или контурно-геологический) метод дешифрирования используют как в геологически открытых, так и в геологически закрытых районах при работе с аэрофотоматериалами и космическими снимками всех уровней генерализации.
Замечено, что геологические объекты, аналогичные по строению и истории развития, имеют сходные изображения на снимках. На снимках эталонных участков проводится дешифрирование неоднородностей фототона и рисунков фотоизображения. Затем наземными полевыми исследованиями устанавливается геологическая природа отдешифрированных объектов, т. е. проводится их интерпретация. На основании результатов этих исследований составляются таблицы дешифровочных признаков. Таким образом, получают эталоны геологических объектов с их типичным фотоизображением, т.е. их «фотопортреты». При дешифрировании новых площадей задача сводится к отысканию объектов, сходных с «фотопортретом» эталонной геологической структуры.
Ландшафтное дешифрирование (ландшафтно-геоиндикационное) предусматривает выделение объектов ландшафта – индикаторов геологических структур, составление ландшафтно-геоиндикационных карт и их геологическую интерпретацию. Индикация – способность одних элементов ландшафта передавать свойство других. Геоиндикация – обнаружение геологических объектов с помощью элементов ландшафта.
Анализ признаков ландшафта тем четче, чем ближе геологический объект к поверхности. Поскольку этот метод косвенный, его эффективность зависит от степени изученности и закрытости районов. Он больше употреблен для крупно- и среднемасштабных работ. Геоиндикационный метод как более поверхностный особенно применим в гидрогеологии и инженерной геологии.
Признаки геоиндикации не могут быть безусловно перенесены на другие регионы как 1: 1. Факт установления связи признака и объекта не раскрывает их сущности. Недостатки этого метода:
1) субъективность;
2) неоднозначность толкования;
3) неэффективность в закрытых районах.
3.6 Последовательность работ с аэроснимками в геологических партиях
Детальное дешифрирование рекомендуется проводить в три этапа – предварительный (предполевой), полевой и окончательная камеральная обработка материалов.
Предполевой этап. На снимки сначала выносятся тригопункты. На карту выносятся точки наблюдения и другой фактический материал предыдущих работ. Если масштаб результативных карт 1: 50 000, то заказываются аэроснимки масштаба 1: 25 000 два комплекта. На одном комплекте ведется дешифрирование; второй комплект снимков является контрольным.
Выделяются участки, различающиеся по рисунку фотоизображений, обусловленному характером рельефа, гидрографической сети, почвеннорастительного покрова и других компонентов ландшафта, прямо или косвенно отражающих геологическое строение.
Дешифрируются структурные линии и линии разрывных нарушений. Результаты дешифрирования снимков сопоставляются с комплексом геолого геофизических исследований и производится геологическая интерпретация выделенных по дешифрированию участков. Объекты дешифрирования подразделяются на достоверные и предполагаемые. Определяются элементы залегания, мощности толщ. Строятся профили. Геоморфологическая карта и карта четвертичных отложений составляются порознь или совместно в зависимости от насыщенности материала. Намечаются маршруты, горные выработки, скважины. Составляются подробные описания признаков дешифрирования геологических объектов.
Как уже отмечалось ранее, детальное дешифрирование начинается с переноса на рабочую фотосхему элементов разрывной и пликативной тектоники с карты результатов регионального дешифрирования. Если в пределах исследуемого района есть детально изученные участки (бурением, горными выработками), то они могут служить эталонными при установлении ландшафтных индикаторов разрывной и пликативной тектоники, оруденения и т. д.
Полевой этап. В процессе предполевого геоморфологического и геологического дешифрирования возникают вопросы, решить которые в камеральный период не представляется возможным. Все они могут быть решены только при непосредственном наблюдении объекта, т. е. в полевых условиях. В предполевой период составляется перечень таких неясностей и составляются маршруты для их разрешения. Во время полевых маршрутов легко уточняются на местности некоторые геоморфологические индикаторы: суффозионно-карстовые и собственно карстовые формы, эрозионные уступы и останцы, элювиальные развалы, речные террасы разбраковываются на пойменные и надпойменные, для последних устанавливается номер террасы.
В комплекс полевых исследований входят и аэровизуальные наблюдения (с самолета или вертолета), которые условно можно подразделить на региональные и детальные.
Региональные наблюдения проводятся с высоты 0,5 км, 1 км, 2 км. Они позволяют в короткий срок ознакомится с исследуемой территорией и получить представления о геологических и геоморфологических особенностях района. В этом случае они выполняют роль рекогносцировочных работ. Наблюдения с воздуха дают возможность одновременно наблюдать значительную площадь земной поверхности и помогают уточнить и выявлять зоны тектонических нарушений, региональные уступы, поверхности выравнивания, интенсивность расчленения рельефа, изучать речные террасы, выявлять аномальные участки речных долин, взаимосвязь отдельных морфоструктур и т. д.
Детальные аэровизуальные наблюдения выполняют, в основном, те же функции, что и региональные, но в более детальном масштабе. Высота облета обычно 200-300 м.
Время проведения аэровизуальных наблюдений в начале или конце полевого сезона.
Окончательная камеральная обработка результатов дешифрирования – в этот этап вносятся окончательные коррективы в результаты дешифрирования, схемы и карты приводятся в отчетный масштаб, проводится окончательная увязка геологических и аэрофотогеологических результатов.
3.7 Эффективность применения материалов аэрофотосъемки
Опыт геологических проведенных работ показал высокую эффективность аэрометодов. Специфика и эффективность геологического дешифрирования и количество получаемой от аэрофотоснимков информации тесно зависят от природных особенностей изучаемой территории.
К числу основных факторов, определяющих возможности метода, относятся как географические, так и геологические условия, влияющие на характер проявления на поверхности различных геологических объектов.
Географические факторы: строение рельефа, степень и характер его расчлененности, особенности климата, плотность растительного покрова, обводненность поверхности, антропогенез.
Геологические факторы: интенсивность и характер проявления неотектонических движений, литология пород, структурные особенности, цветовые различия, характер процессов выветривания, степень и характер трещиноватости, степень обводненности трещин, степень обнаженности коренных пород.
Географические факторы. Степень расчлененности рельефа сказываются на эффективности дешифрирования аэроснимков. Большая расчлененность рельефа и густота гидрографической сети повышают эффективность, В особенности когда между формами рельефа, гидросетью и геологическим строением имеется взаимосвязь. Часто формы рельефа являются дешифрировочным признаком. Так грядовый характер некоторых гор в Центральной части нашей области обуславливается соответствующим простиранием слоев и формаций горных пород, чаще всего субмеридионально ориентированных.
Климат может сказываться на условиях выполнения работ и их стоимости. Сюда относятся длительность безморозного и бесснежного периода. Эффективность возрастает в удаленных и труднодоступных районах. К ним относятся северные и высокогорные районы страны с коротким сезоном полевых работ, а так же в пустынных районах. С климатом связана интенсивность растительного покрова и развития лесов. По сгущению растительности прогнозируются (и по темным пятнам) близкое к поверхности расположение грунтовых вод (проницаемые породы). Избыточное увлажнение и излишняя засушливость ухудшают дешифрируемость аэрофотоснимков.
На эффективности применения аэрофотометодов сказываются также экономико-географические особенности регионов. Распространение населяемых пунктов, наличие дорог, возделывание площадей, наличие водных путей, аэродромов, развитие промышленности, так или иначе влияют на эффективность и стоимость работ использования аэрометодов.
Влияние человека на природу огромно. Это видно на аэроснимках. Природа, можно сказать, задавлена техногенезом. Площади городов промышленных предприятий, магистрали, трубопроводы, искажение растительности, горные разработки, распашка земель. Все это затушевывает, в какой-то мере, некоторые площади для изучения геологического строения.
Геологические факторы. Свойства горных пород и сложность геологического строения влияют на эффективность дешифрирования. Чем больше горные породы отличаются друг от друга по окраске, составу, крепости, степени трещиноватости и условиям залегания, тем лучше выражены, связанные с этими породами формы мезо- и микрорельефа и тем резче проявляются они в виде характерных рисунков на аэроснимках. Чем сильнее проявляются эти взаимосвязи, тем отчетливее горные породы и условия их залегания дешифрируются на снимках. Крепкие породы лучше выражены в рельефе, мягкие сглаживаются; образуются гривки и ложбины.
Большой эффект достигается в районах со сложным геологическим строением. Обычные методы здесь требуют больших затрат времени и средств.
Цветовые контрасты разных пород облегчают дешифрирование. Интенсивное рассланцевание затушевывает залегание пород. По направлению сланцеватости и трещиноватости на поверхности часто развиваются ложбины и понижения. Продольные разрывные нарушения, совпадающие по направлению с линейной складчатостью, дешифрируются с трудом.
Степень обнаженности горных коренных пород подразумевается степень отсутствия на их поверхности почвенно-элювиальных образований, рыхлых континентальных четвертичных отложений и растительного покрова. Присутствие этих перекрывающих горные породы элементов затрудняют их дешифрирование. Чем больше мощность рыхлых отложений и чаще залесенность, тем хуже условия дешифрирования снимков. Правда бывают исключения, когда растительность является одним из дешифрировочных признаков.
Как правило, неблагоприятными являются условия дешифрирования коренных пород на равнине, где они покрыты плащом мощных рыхлых четвертичных отложений, а также в высокогорных районах, где крутые склоны гор покрыты мощными осыпями обломочного материала. Однако, при небольших мощностях рыхлых отложений, на снимке по элювиальным высыпкам, выбросам из пор грызунов удается проследить простирание коренных пород. Часто достаточно хорошо читается трещинная тектоника массивов. Эффект «просвечивания» коренных пород сквозь покров рыхлых отложений в Оренбуржье наблюдается довольно часто.
В случае широкого развития четвертичных отложений аэроснимки эффективно используются для дешифрирования последних, для выявления генезиса и возраста, оконтуривания участков и установления их взаимоотношений.
Следует отметить, что все приведенные условия имеют лишь относительное значение. Производственный опыт показывает, что даже в наименее благоприятных по геологическойдешифрируемости районах изучения аэроснимков и аэровизуальные наблюдения, позволяют собрать большое количество ценных геологических и геоморфологических наблюдений.
Основным фактором, влияющим на условия дешифрируемостиаэроснимков в Оренбуржье, является степень обнаженности пород.
1. Задачи геологического дешифрирования.
2. Что обеспечивает аэрофотогеологический метод?
3. Определение элементов залегания слоев осадочных пород на аэроснимках.
4. Методы дешифрирования.
5. Эффективность применения материалов АФС.